四
1938年11月，瑞典科学院决定将1938年的诺贝尔物理学奖授予费米，以表彰他“证明了中子轰击所产生的新放射性元素的存在以及发现了与此相关的慢中子所致核效应。”这是诺奖史上的一件尴尬事，几乎同时就发现是发错了奖——费米的实验并没有产生“新的放射性元素”！
早在“铀后元素发现”消息发布没多久，1934年德国年轻的女化学家伊达·诺达克(Ida Noddak)就在《应用化学杂志》上发表论文，坚决否认费米发现了93号元素，尖锐地指出新元素的发现根本就是证据不足。更大胆地猜测：“在中子轰击重核中，这些核分裂成几个大的碎片，它们实际上是已知元素的同位素，但不是照射元素的近邻。”（诺达克是核裂变学说的先驱，这一点直到1990年代才得到科学共同体普遍认同）她把论文寄给了费米，但并没有引起后者的重视，只觉得这种观点很荒唐。试想想，铀核92个质子146个中子总共238个质量，庞然大物也，一个小小的中子，怎么可能把它打成碎片？也就是说，一个中子的能量不足以打破铀核的势阱，这是显而易见的。实际上，获得慢中子后，罗马小组继续轰击铀核的实验，发现居然有能量和半衰期不同的四种β射线，半衰期从10秒到90分钟不等。按说不同的半衰期对应着不同的核素，但他们一脑门的“铀后元素”，只想着是不是93号、94号……就从来没往远离92号元素的“铀前元素”想。
这是一个时代的思维“定态”。当时物理学关于的核衰变机制的标准答案，无非就是α衰变序数退二位，β衰变序数增一位，吸收中子产生同位素……，总之只能做加减法，还不能做乘除法。从加减法到乘除法，还需要一个“跃迁”。爱因斯坦和薛定谔至死都反对这个跃迁概念，我们完全不能预测它什么时候发生，怎么发生，好像电子有“自由意志”。其实何止电子？科学史发展在许多突破点上往往也是这样。
1935年后，探索铀后元素的接力棒传到了柏林和巴黎的化学家手里。柏林威廉皇家研究院德国化学家奥托·哈恩（Otto Hahn）和奥地利女化学家丽莎·迈特纳（Lise Meitner）在中子轰击铀的实验中发现得到的产物远比费米他们的复杂，半衰期最长的竟达66小时，化学分析本来是他们相对于费米小组的强项，但是他们同样是带着铀后元素的目的来的，实验一直做到了1937年，分析这些半衰期对应的放射性同位素时，他们依然认为可能是一些类铂、类金、类铼、类锇和类铱的93、94、95、96和97号新元素。特别是他们提取到了一种性质与56号元素钡极相近的物质，但他们宁可相信这是与钡同族的88号元素镭，毕竟与铀近邻，怀疑是“铀后元素”衰变产生的。可是使出了浑身的解数，始终也分离不出“镭”。
在巴黎，伊雷娜·居里(Irene Curie)和南斯拉夫物理学家帕菲尔·萨维奇（Pavel Savitch）合作的实验研究与哈恩他们几乎同出一辙，得出了被命名为“类铼”、“类锇”和“类铱”的93、94和95号元素。1938年10月，距离确定费米的诺奖只有一个月了，小居里和萨维奇发布了一个研究结果：他们1937年发现的一种半衰期为3.5小时的性质类似镧的物质，可能也是铀后元素。
这时柏林小组的迈特纳已经由于奥地利被纳粹德国合并而成了“德国人”，在柏林待不下去而逃到了瑞典，哈恩和另一位德国科学家弗里兹·斯特劳斯曼（ Fritz Strassmann）继续合作研究。小居里他们的报告马上引起了他俩的警觉——镧和钡太接近了，序数仅仅大1号，钡一个β衰变就可以变成镧！他们重新回到实验室，再做那个从前分离“镭”的实验，得出的结果明白无误地告诉他们：哪里有什么镭呐？这就是钡！联系到柏林和巴黎实验都发现的“类铼”元素，如果是与铼同族较轻的元素锝（43号元素），钡的质量数138，加上锝的质量数101（当时的估算值），正好是铀的质量数239！难道铀被中子轰击后嬗变成了两种已知元素?
1938年12月9日，费米领奖的前一天，哈恩写信向迈特纳报告了这一实验结果——前者依然把后者当作柏林小组的一员。但哈恩只是出于“化学家的良心”陈述一种事实，他并不敢相信这个结果，信中他说：“我们自己知道铀实际上不可能炸成钡。”直到1939年1月6日，哈恩和斯特劳斯曼在论文里还说，“作为化学家”，看到的就是钡之类的已知元素，但是，“作为核化学家，更接近物理学，我们不能决定跨出这一跟核物理学先前经验相矛盾的一步。”眼看就要跨入到光荣的物理学家的行列，又要重新“堕落”为化学家，哈恩和斯特劳斯曼痛心呐！联系到卢瑟福将自己获得化学奖自嘲为比在实验中发现的任何奇怪现象都要奇怪的现象，泡利宁可自己的前妻嫁一个斗牛士而不是化学家，这种心情是可以理解的。
迈特纳德高望重功勋卓著，爱因斯坦曾称她为“德国的居里夫人”。她才不管什么物理学家化学家，收到哈恩的来信好马上就感觉到原子核真是被打成了份量基本相等的两半。她把这个想法告诉了正好在瑞典度假的侄儿——核物理学家弗里希。弗里希同样是第三帝国的难民，现在哥本哈根和波尔一起工作。在波尔研究所耳濡目染，物理学动态门儿清，哎，波尔不是有个“滴液模型”吗？一切都顺理成章了——
这个模型最早是伽莫夫于1929年提出来的，波尔后来把它完善了。一个原子核由若干核子组成，核子之间既有斥力（电磁力），又有引力（强力），不正像若干水分子组成一个水滴一样吗？在没有外力作用的条件下，表面张力会使这个复合体成为球形——原子核和水滴都一样。作为一个核子的质子身兼两力，但强力（引力）是电磁力（斥力）的约100倍，而中子只有强力而没有电磁力。一个原子核里，强力是统一的力量，电磁力是分裂的力量，按说前者是后者的100倍，原子核应该是牢不可破的。自然的设计就是这么精巧，她不能让你瞬息万变，也不能让你万古不变。强力是一种短程力，作用范围跟核子的半径差不多，而且是不叠加的，所以每一个核子只能以自有的强力与相邻的核子团结。电磁力虽小，但是远程力，而且是叠加的，一个原子核里有多少个质子，每一个质子的身上就可以凝聚全部质子的电磁力，与这个原子核闹分裂。核衰变为什么很容易发射α粒子（氦核）？因为这种两个质子和两个中子的组合是很牢固的，质子再能耐也就只有两份斥力，与100份引力根本就不是一个数量级。铀核就不同了，每一个质子身上都集结了92份斥力，与100份的引力抗衡。这就只是一种微弱的平衡了。所以费米直觉上感觉庞然大物不会轻易被打破刚好是搞反了——庞然大物恰好是最脆弱的，超过92号的元素压根就不能自然地存在，要靠人工强力才能制造出来。就像凝结在天花板上的一粒水珠，稍稍增加一点分量，它就会变长，中间变细，啪！一分为二，一半还凝在天花板上，一半掉下地来。中子轰击铀核的时候就是这种情形，圆形的铀核受到额外能量的振动而浑身颤抖，变成椭圆形，继而哑铃形，然后拦腰折断，变成了两个原子。（图16.1）
图16.1 核裂变的滴液模型
说着说着又忘形了，还得提醒一下，这只是经典语言的转译，形像说法，只是利用这种直观图像说明核变化的机制。实际上像一串葡萄那样的原子核是看不到的，核子一样是波函数，会弥散到整个原子核的范围。在原子核内根本就没有边界分明的“核子”，它们是“不可分离”的。只有当原子核在一定的条件下向外部发射一份份的量子化能量（和质量）时，我们才能通过实验仪器看到一个个的“核子”。直观的图像是无法实验检验的，还得根据物理学的基本公式，推导出这个变化的机制，用数学方程式将可观察量表述出来。迈特纳和弗里希当下就进行了缜密的计算，推导出核分裂的机制、产物，还用质能关系式算出了分裂释放的能量。
几天后弗里希回到哥本哈根，向波尔叙述核分裂假说的思路，玻尔还没有听完就拍额大叫：“啊呀！我们都有多傻呀！实际情况准就是这样！”这桩悬疑了四年之久的“铀后元素”的公案，竟然用他的滴液模型轻轻松松地解释了！波尔这天正要赶船去美国参加了1939年1月末召开第五届世界理论物理华盛顿会议，只好余兴未消地叮嘱弗里希赶快写成论文，并保证在论文发表前保守秘密。
波尔走后弗里希遵嘱赶写论文。当时正好有个美国生物学家也在哥本哈根，觉得这个核分裂的机制跟细胞分裂很相似，提议用生物学的“裂变”概念来命名这个假说。这边波尔在海轮上一路激动地跟同行的罗森菲尔德讨论原子分裂的问题，却忘记了交待保密纪律。于是1月16号到达纽约两人分手后，先期到达普林斯顿的罗森菲尔德就把这个理论传得沸沸扬扬。到月末召开世界理论物理会议时，各实验室都纷纷报告了原子裂变的证实实验。原子裂变理论很快就被科学共同体接受下来了，只是波尔得为迈特纳和弗里希的发现优先权费了不少功夫。这是一个序言，一个真正惊天动地的故事，我们只能留到以后再说了。
原子裂变理论记到了哈恩和斯特劳斯曼的功劳薄上，哈恩为此获得了1944年的诺贝尔化学奖，这多少有点不公。最早真正自觉这个理论的，我们特别要记住两位伟大的女化学家——丽莎·迈特纳和伊达·诺达克，当然还有弗里希和波尔。
No comments:
Post a Comment